慣性傳感器促進(jìn)移動機(jī)器人自主工作

Adept MobileRobots1項目經(jīng)理 Seth Allen 認(rèn)為，地面機(jī)器人系統(tǒng)必須常常處理“枯燥、骯臟、危險”的工作。換言之，機(jī)器人系統(tǒng)通常用于人工介入成本過高、危險過大或者效率過低的任務(wù)。在許多情況下，機(jī)器人平臺的自主工作能力是一項極為重要的特性，即通過導(dǎo)航系統(tǒng)來監(jiān)視并控制機(jī)器人從一個位置移到下一位置的運動。管理位置和運動時的精度是實現(xiàn)高效自主工作的關(guān)鍵因素，MEMS（微機(jī)電系統(tǒng)）陀螺儀可提供反饋檢測機(jī)制，對優(yōu)化導(dǎo)航系統(tǒng)性能非常有用。圖 1 中所示的 Seekur?機(jī)器人系統(tǒng)就是一個采用先進(jìn) MEMS 器件來改善導(dǎo)航性能的自主系統(tǒng)。

圖 1. Adept MobileRobots 公司的 Seekur 系統(tǒng)。

機(jī)器人導(dǎo)航概述

機(jī)器人的移動通常是從管理機(jī)器人總體任務(wù)進(jìn)度的中央處理器發(fā)出位置變化請求時開始的。導(dǎo)航系統(tǒng)通過制定行程計劃或軌跡以開始執(zhí)行位置變化請求。行程計劃需考慮可用路徑、已知障礙位置、機(jī)器人能力及任何相關(guān)的任務(wù)目標(biāo)。（例如，對于醫(yī)院里的標(biāo)本遞送機(jī)器人，遞送時間非常關(guān)鍵。）行程計劃被饋入控制器，后者生成傳動和方向配置文件以便進(jìn)行導(dǎo)航控制。這些配置文件可根據(jù)行程計劃執(zhí)行動作和進(jìn)程。該運動通常由若干檢測系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，各檢測系統(tǒng)均產(chǎn)生反饋信號；反饋控制器將信號組合并轉(zhuǎn)換成更新后的行程計劃和條件。圖 2是一般導(dǎo)航系統(tǒng)的基本框圖。

圖2. 一般導(dǎo)航系統(tǒng)框圖。

開發(fā)導(dǎo)航系統(tǒng)的關(guān)鍵步驟始于充分了解每種功能，尤其需要重視其工作目標(biāo)和限制。各項功能通常都有一些明確界定且易于執(zhí)行的因素，但也會提出一些需要加以處理的具有挑戰(zhàn)性的限制。某些情況下，這可能是一個反復(fù)試探的過程，即識別和處理限制的同時又會帶來新的優(yōu)化機(jī)遇。通過一個實例可以清楚說明這一過程。

Adept MobileRobots Seekur 機(jī)器人

Adept MobileRobots Seekur2是一款采用慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(INS)的自主機(jī)器人，參見圖 3。該車輛具有 4 輪傳動系統(tǒng)，每個車輪均有獨立轉(zhuǎn)向和速度控制能力，可在任何水平方向上靈活地移動平臺。此能力對于倉庫交貨系統(tǒng)、醫(yī)院標(biāo)本/補(bǔ)給品遞送系統(tǒng)和軍隊增援系統(tǒng)等新興應(yīng)用中的機(jī)器人車輛非常有用。

圖 3. Adept MobileRobots Seekur 導(dǎo)航系統(tǒng)。

正向控制

機(jī)器人本體命令，即主要誤差信號，代表軌跡規(guī)劃器提供的行程計劃與反饋檢測系統(tǒng)提供的行程進(jìn)度更新信息之間的差異。這些信號被饋入逆向運動學(xué)系統(tǒng)，后者將機(jī)器人本體命令轉(zhuǎn)換成每個車輪的轉(zhuǎn)向和速度配置文件。這些配置文件使用阿克曼轉(zhuǎn)向關(guān)系*進(jìn)行計算，整合了輪胎直徑、表面接觸面積、間距和其他重要幾何特性。利用阿克曼轉(zhuǎn)向原理和關(guān)系，上述機(jī)器人平臺可創(chuàng)建以電子方式鏈接的轉(zhuǎn)向角度配置文件，類似于許多汽車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中使用的機(jī)械齒輪-齒條系統(tǒng)。由于這些關(guān)系是以遠(yuǎn)程方式整合在一起的，不需要以機(jī)械方式鏈接車軸，因而有助于最大程度減小磨擦和輪胎滑移，減少輪胎磨損和能量損耗，實現(xiàn)簡單的機(jī)械鏈接無法完成的運動。

車輪驅(qū)動和轉(zhuǎn)向系統(tǒng)

每個車輪均有一個驅(qū)動軸，通過變速箱以機(jī)械方式連接至驅(qū)動馬達(dá)，同時通過另一個變速箱耦合至光學(xué)編碼器，即測程反饋系統(tǒng)的輸入端。轉(zhuǎn)向軸將車軸耦合至另一伺服馬達(dá)，該馬達(dá)負(fù)責(zé)確立車輪的轉(zhuǎn)向角度。轉(zhuǎn)向軸還將通過變速箱耦合至第二個光學(xué)編碼器，也即測程反饋系統(tǒng)的另一個輸入端。

反饋檢測和控制導(dǎo)航系統(tǒng)使用一個增強(qiáng)的卡爾曼濾波器 3，通過結(jié)合多個傳感器的數(shù)據(jù)來估算行程圖上機(jī)器人的姿態(tài)。Seekur 上的測程數(shù)據(jù)從車輪牽引和轉(zhuǎn)向編碼器（提供轉(zhuǎn)換）和 MEMS 陀螺儀（提供旋轉(zhuǎn)）獲得。

測程

測程反饋系統(tǒng)利用光學(xué)編碼器對驅(qū)動和轉(zhuǎn)向軸旋轉(zhuǎn)的測量結(jié)果來估算機(jī)器人的位置、駛向和速度。在光學(xué)編碼器中，用一個碟片阻擋內(nèi)部光源，或者通過數(shù)千個微小窗口讓光源照射在光傳感器上。碟片旋轉(zhuǎn)時，便會產(chǎn)生一系列電脈沖，這些脈沖通常被饋入計數(shù)器電路。每旋轉(zhuǎn)一圈的計數(shù)次數(shù)等于碟片內(nèi)的槽孔數(shù)目，因此可從編碼器電路的脈沖計數(shù)計算旋轉(zhuǎn)數(shù)（包括小數(shù)）。圖 4 提供了將驅(qū)動軸旋轉(zhuǎn)計數(shù)轉(zhuǎn)換成線性位移（位置）變化的圖形參考和關(guān)系。

圖 4. 測程線性位移關(guān)系。

每個車輪的驅(qū)動軸和轉(zhuǎn)向軸編碼器測量結(jié)果在正向運動學(xué)處理器中用阿克曼轉(zhuǎn)向公式進(jìn)行組合，從而產(chǎn)生駛向、偏轉(zhuǎn)速率、位置和線速度等測量數(shù)據(jù)。

該測量系統(tǒng)的優(yōu)點在于其檢測功能直接與驅(qū)動和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)相結(jié)合，因此可精確得知驅(qū)動和轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)的狀態(tài)。不過，除非可參考一組實際坐標(biāo)，否則該測量系統(tǒng)在車輛實際速度和方向方面的精度有限。主要限制（或誤差源）在于輪胎幾何形狀一致性（圖 4 中 D 的精度和波動），以及輪胎與地面之間的接觸中斷。輪胎幾何形狀取決于胎冠一致性、胎壓、溫度、重量及在正常機(jī)器人使用過程中可能發(fā)生變化的所有條件。輪胎滑移則取決于偏轉(zhuǎn)半徑、速度和表面一致性。

位置檢測

Seekur 系統(tǒng)使用多種距離傳感器。對于室內(nèi)應(yīng)用，該系統(tǒng)采用270°激光掃描器為其環(huán)境構(gòu)建映射圖。激光系統(tǒng)通過能量返回模式和信號返回時間測量物體形狀、尺寸及與激光源的距離。在映射模式中，激光系統(tǒng)通過將工作區(qū)內(nèi)多個不同位置的掃描結(jié)果組合，描述工作區(qū)特性（圖 5）。這樣便產(chǎn)生了物體位置、尺寸和形狀的映射圖，作為運行時掃描的參考。激光掃描器功能結(jié)合映射信息使用時，可提供精確的位置信息。該功能如果單獨使用，會存在一定限制，包括掃描時需要停機(jī)以及無法處理環(huán)境變化等等。在倉庫環(huán)境中，人員、叉車、托盤搬運車及許多其他物體常常會改變位置，這可能影響到達(dá)目的地的速度，以及到達(dá)正確目的地的精度。

圖 5. 激光映射。

對于室外應(yīng)用，Seekur 使用全球定位系統(tǒng)(GPS)進(jìn)行位置測量（圖 6）。全球定位系統(tǒng)通過至少四個衛(wèi)星的無線電信號傳播時間對地球表面上的位置進(jìn)行三角測量，精度可達(dá)±1 m 以內(nèi)。不過，這些系統(tǒng)難以滿足無阻擋的要求，可能受建筑、樹木、橋梁、隧道及許多其他類型的物體影響。某些情況下，室外物體位置和特性已知（“城市峽谷”），則在 GPS 運行中斷時也可使用雷達(dá)和聲納來協(xié)助進(jìn)行位置估算。即便如此，當(dāng)存在動態(tài)條件時，例如汽車經(jīng)過或正在施工，效果常常會受到影響。

圖 6. GPS 位置檢測。

MEMS 角速率檢測

Seekur 系統(tǒng)使用的 MEMS 陀螺儀可直接測量 Seekur 關(guān)于偏航（垂直）軸的旋轉(zhuǎn)速率，該軸在 Seekur 導(dǎo)航參考坐標(biāo)系內(nèi)與地球表面垂直。用于計算相對駛向的數(shù)學(xué)關(guān)系式是固定時間內(nèi)（t1至 t2）角速率測量結(jié)果的簡單積分。

該方法的主要優(yōu)勢之一是連接至機(jī)器人機(jī)架的陀螺儀可測量車輛的實際運動，而無需依靠齒輪比、齒輪隙、輪胎幾何形狀或表面接觸完整性。不過，駛向估算需要依靠傳感器精度，而該精度取決于偏置誤差、噪聲、穩(wěn)定性和靈敏度等關(guān)鍵參數(shù)。固定偏置誤差轉(zhuǎn)換為駛向漂移速率，如包含偏置誤差 ωBE的下列關(guān)系式所示：

偏置誤差可分為兩種：當(dāng)前誤差和條件相關(guān)誤差。Seekur 系統(tǒng)估算的是未運動時的當(dāng)前偏置誤差。這要求導(dǎo)航電腦能夠識別未執(zhí)行位置變化命令的狀態(tài)，同時還要方便進(jìn)行數(shù)據(jù)收集偏置估算和校正系數(shù)更新。該過程的精度取決于傳感器噪聲以及可用于收集數(shù)據(jù)并構(gòu)建誤差估算的時間。如圖 7 所示，Allan方差曲線提供了偏置精度與求均值時間之間的簡便關(guān)系式，進(jìn)而確定了 ADIS16265 的關(guān)系式。ADIS16265 是一款與 Seekur系統(tǒng)目前所用的陀螺儀類似的 iSensor? MEMS 器件。本例中，Seekur 可將 20 秒內(nèi)的平均偏置誤差減小至 0.01°/秒以下，并可通過在約 100 秒的周期內(nèi)求均值來優(yōu)化估算結(jié)果。

圖 7. ADIS16265 Allan 方差曲線。

Allan 方差 4 關(guān)系式還有助于深入了解最佳積分時間(τ = t2 –t1)。該曲線上的最低點通常被確定為運行中偏置穩(wěn)定度。通過設(shè)置積分時間 τ，使其等于與所用陀螺儀的 Allan 方差曲線上最低點相關(guān)的積分時間，可優(yōu)化駛向估算結(jié)果。

包括偏置溫度系數(shù)在內(nèi)的條件相關(guān)誤差會影響性能，因此它們可決定需要每隔多久停止一次機(jī)器人的運行，以更新其偏置校正。使用預(yù)校準(zhǔn)的傳感器有助于解決最常見的誤差源，例如溫度和電源變化。例如，將 ADIS16060 改為預(yù)校準(zhǔn)的 ADIS16265可能會增加尺寸、價格和功率，但可以將相對于溫度的穩(wěn)定性提高18倍。對于2°C溫度變化，ADIS16060的最大偏置為0.22°/秒，而 ADIS16265 只有 0.012°/秒。

如以下關(guān)系式所示，靈敏度誤差源與實際駛向變化成正比：

商用 MEMS 傳感器的額定靈敏度誤差通常在±5%至±20%以上，因此需要進(jìn)行校準(zhǔn)以減小這些誤差。例如 ADIS16265 和ADIS16135 等預(yù)校準(zhǔn) MEMS5陀螺儀的額定誤差小于±1%，在受控環(huán)境中甚至可以達(dá)到更高性能。

應(yīng)用范例：倉庫庫存交貨

倉庫自動化系統(tǒng)目前使用叉車和傳送帶系統(tǒng)移動材料，以管理庫存并滿足需求。叉車需要直接人為控制，而傳送帶系統(tǒng)則需要定期維護(hù)。為了最大化倉庫價值，許多倉庫正在進(jìn)行重新配置，從而為自主機(jī)器人平臺的應(yīng)用敞開了大門。一組機(jī)器人僅需要更改軟件、對機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行再培訓(xùn)就能適應(yīng)新任務(wù)，完全不需要實施大量工程作業(yè)來改造叉車和傳送帶系統(tǒng)。倉庫交貨系統(tǒng)中的關(guān)鍵性能要求是機(jī)器人必須能夠保持行程模式的一致性，可在有障礙物移動的動態(tài)環(huán)境下安全執(zhí)行機(jī)動動作，并且保證人員安全。為了說明在此類應(yīng)用中 MEMS 陀螺儀反饋對 Seekur 的價值，Adept MobileRobots 用實驗方式分別展示了在不使用（圖 8）和使用（圖 9）MEMS 陀螺儀反饋的情況下，Seekur 保持重復(fù)路徑的能力。應(yīng)注意，為了研究 MEMS 陀螺儀反饋的影響，該實驗未采用 GPS 或激光掃描校正。

圖 8. 未使用 MEMS 陀螺儀反饋時的 Seekur 路徑精度。

圖 9. 使用 MEMS 陀螺儀反饋時的 Seekur 路徑精度。

比較圖 8 和圖 9 中的路徑軌跡，很容易看出兩者在保持路徑精度上的差異。應(yīng)注意，這些實驗中采用的是早期 MEMS 技術(shù)，支持~0.02°/秒的穩(wěn)定度。目前的陀螺儀在相同成本、尺寸和功率水平下性能可提高 2 到 4 倍。隨著這一趨勢的延續(xù)，在重復(fù)路徑上維持精確導(dǎo)航的能力將繼續(xù)改善，這將為開發(fā)更多市場和應(yīng)用（例如醫(yī)院標(biāo)本/補(bǔ)給品遞送）帶來機(jī)遇。

補(bǔ)給品護(hù)送

目前美國國防高級研究計劃局(DARPA)在提案中仍強(qiáng)調(diào)更多地利用機(jī)器人技術(shù)來提升軍力。補(bǔ)給品護(hù)送便是這類應(yīng)用的一個范例，此時軍事護(hù)送隊伍暴露于敵方威脅之下，同時不得不按可預(yù)測的模式緩慢移動。精確導(dǎo)航讓機(jī)器人（如 Seekur）可在補(bǔ)給品護(hù)送方面承擔(dān)更多責(zé)任，減少途中人員的安全威脅。一個關(guān)鍵性能指標(biāo)是對 GPS 中斷情況的管理能力，此時MEMS 陀螺儀駛向反饋特別有用。最新 Seekur 導(dǎo)航技術(shù)正是針對這一環(huán)境而開發(fā)的，它使用 MEMS 慣性測量單元(IMU)6提高了精度，并且能在未來不斷采納地形管理和其他功能領(lǐng)域的新技術(shù)成果。

為了測試該系統(tǒng)在使用和不使用 IMU 時的定位性能，對室外路徑誤差進(jìn)行了記錄和分析。圖 10 比較了僅使用測程法時相對于真實路徑（源自 GPS）的誤差與在卡爾曼濾波器內(nèi)結(jié)合使用測程法與 IMU 時的誤差。后者的位置精度是前者的近 15 倍。

圖 10. 使用測程法/IMU（綠色）與僅使用測程法（藍(lán)色）的Seekur 位置誤差。

結(jié)論

機(jī)器人平臺開發(fā)人員發(fā)現(xiàn)，MEMS 陀螺儀技術(shù)為改善導(dǎo)航系統(tǒng)方向估算和總體精度提供了經(jīng)濟(jì)高效的方法。預(yù)校準(zhǔn)的系統(tǒng)就緒型器件使得簡單的功能集成得以實現(xiàn)，有利于開發(fā)工作順利起步，并讓工程師可集中精力開展系統(tǒng)優(yōu)化。隨著 MEMS技術(shù)持續(xù)改善陀螺儀噪聲、穩(wěn)定性和精度指標(biāo)，精度和控制水平將不斷提高，從而可為自主機(jī)器人平臺繼續(xù)拓展新的市場。諸如 Seekur 等系統(tǒng)的下一代開發(fā)工作可從陀螺儀過渡到完全集成的 MEMS IMU/6 自由度(6DoF)傳感器。雖然面向偏航的方法很有用，但世界畢竟不是平面的；目前及未來的許多其他應(yīng)用均可利用 MEMS IMU 進(jìn)行地形管理和進(jìn)一步的精度改進(jìn)，并通過三個陀螺儀實現(xiàn)完全對準(zhǔn)反饋和校正。